开关模式电源控制的制作方法

本发明总体上涉及开关模式电源控制。

背景技术：

开关模式电源(smps)针对多种情形是有用的。典型的smps被配置成在输出电压上具有上阈值。在一些应用中，升压电源在要求输出电压是输入电压两倍的情况下是希望的。斜率补偿可用于对smps的电流控制回路提供稳定性。已知的斜率补偿技术包括将正斜率添加到当前感测电压或将负斜率添加到参考电压。在当前感测电压超过参考电压时，开关被关断。

抑制smps中瞬态阶跃响应所需的斜率的大小被深入研究。就升压电源配置而言，在开关的关断时间期间的电感器电流的斜率的函数提供了合适的斜率。在利用负反馈的闭环配置中，因为平均电感器电流等于负载电流，所以包括此类补偿斜率是相对直接的。然而，在开环实现中，设置参考电压从而使得经补偿的参考电压和当前感测电压在导体峰值电流在希望值时相交是具有挑战性的。已知技术在其他参数之外还要求知晓输入电压和输出电压。在一些情形中，输入电压往往不明确，这是当输入电压基于典型机动车辆电池时的情况。峰值电流可随此类输入电压源而显著改变。

以提供电路稳定性并将电感器电流保持在希望的限值内的方式控制参考电压是具有挑战性的。如果电感器电流没有得到充分控制，则需要更昂贵的部件。

技术实现要素：

一种方法的说明性示例实施例是用于控制开关。开关被用于对提供输出电压的电容器充电。开关在输入侧上具有电感器，电感器介于电源和开关之间。该方法包括：初始化开关周期，包括接通开关；感测代表通过电感器的电流的电压；使用参考电压作为用于在开关周期期间当感测到的电压超过参考电压时关断开关的根据；以及基于在至少一个在先开关周期期间开关的至少一个激活特征来设置在开关周期的开始处的参考电压的初始值。

一种开关控制装置的说明性示例实施例包括被激活来对提供输出电压的电容器充电的开关。电感器在开关的输入侧上、介于电源和开关之间。开关周期控制元件在开关周期的开始处初始化开关的激活。比较器提供对代表通过电感器的电流的感测到的电压和参考电压之间的关系的指示。开关周期控制元件在开关周期期间基于当感测到的电压超过参考电压时来自比较器的指示来关断开关。至少一个反馈回路提供对在至少一个在先开关周期期间开关的至少一个激活特征的指示。基于对来自在先开关周期的至少一个特征的指示，参考电压在开关周期的开始处被设置成初始值。

通过以下详细描述，对于本领域技术人员而言，所公开的实施例的各个特征和优点将变得显而易见。伴随所述详细描述的附图可以被简要描述如下。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明实施例设计的开关控制装置。

图2是示出图1的实施例的示例操作的选定特征的时序图。

图3示意性地示出了开关控制装置的另一示例实施例。

具体实施方式

根据本发明实施例设计的装置或方法利用来自至少一个在先开关周期的反馈信息来设置在开关周期的开始处的初始参考电压值。初始参考电压值以独立于输出电压和输入电压之间的比值的方式帮助将电感器的峰值电流维持在选定的限值内。

图1示意性地示出用于控制开关22的装置20，装置20具有与开关22相关联的电感器24。电感器24介于开关22和输入电压(vi)的源26之间。装置20被配置为开关模式电源(smps)升压控制电路。

开关周期控制元件30在开关周期的开始处激活或接通开关22。所示示例包括脉冲产生器32，脉冲产生器32在选定频率下操作用于控制开关周期的长度。当开关22被激活时，来自源26的功率对电容器34充电，电容器34向负载36提供功率。在本说明书中，以术语输出电压(vo)对输出功率进行讨论。负载36的示例类型是用于机动车辆发动机的燃料喷射器。

开关周期控制元件30的输出被提供给与(and)门40。与门40的输出被提供给开关22的开关激活输入。比较器或放大器42将输出电压vo与由装置44提供的参考电压进行比较，装置44可以是dc源。当vo比由源44提供的参考电压小时，比较器42的输出对应于逻辑1而开关保持激活以对电容器34充电。如果vo超过由源44提供的参考电压，则比较器42的输出对应于逻辑0而开关22被断开(deactivate)。在vo下降到低于比较器42的滞后电平后，装置20被再次启用以基于开关控制元件30的操作开始对输出电容器34再充电。

传感器50提供与通过电感器24的电流相对应的电压的指示。感测到的电压vsns和参考电压vref被提供给比较器54。当vsns超过vref时，比较器54的输出对应于触发将开关周期控制元件30进行重置的逻辑1，该逻辑1将开关22断开或关断。在该示例中，vref基于来自源56的电压。

所示示例包括反馈回路60，反馈回路60包括提供补偿电压vcmp的积分器62。在该示例中，vcmp使得vref在开关周期(k)期间逐步下降。

另一反馈回路70包括积分器72、峰值检测器元件74和延迟元件76。来自反馈回路70的信息用于在开关周期的开始处设置vref的初始值。在一个示例中，通过开关周期控制元件30的操作来触发延迟元件76，使得与在先开关周期(k-1)期间的开关22的至少一个激活特征有关的信息在开关周期(k)的开始处影响或调整vref的初始值。

如果装置20不包括反馈回路60和70，则它会是对于vref没有斜率补偿的smps。在此类情况中，开关接通时间的占空比可被表达为输入电压vi、输出电压vo和在先占空比的函数，如下

其中d是占空比而k是开关周期指数。根据以上表达式，如果增益项(vo–vi)/vi大于或等于1，则占空比将变得不稳定。利用斜率补偿(可使用反馈回路60来实现)，占空比可被写为

其中slp是补偿斜率的转换速率(以安培每秒为单位)。在以下等式中所示的增益项小于1的条件下，等式2对vo/vi的所有值而言是稳定的。

如果补偿斜率满足以下判据，则满足该条件：

如果通过将补偿斜率设置为大于或等于关断时间斜率(可被表达为等式5)而将等式3中的增益项设置为0，则占空比可被稳定在一个开关周期内，

在图1中，通过将从积分器62输出的补偿电压vcmp添加到vref来完成这种补偿。在稳态下的开关周期期间，vref的初始值的大小使得通过补偿，vref的值与当电感器电流等于预期峰值电流(vpeak)时感测到的电压vsns相交或者变成等于感测到的电压vsns。该条件可使用以下等式来表达：

vinitial-vδ＝vpeak(6)

在vpeak等于vref的条件下，vδ等于mton，其中m是补偿电压vcmp(以伏特每钞为单位)的斜率而ton是开关22的接通时间。在本说明书中，vδ被称为补偿余量(compensationheadroom)。

用于装置20的开关接通时间ton可使用以下关系式来进行估算

其中tsw是开关周期。

基于上述关系式，随着比值vo/vi增大，参考值vref也将增大。接着，通过电感器的峰值电流(以相应的电压vpeak表示)将随着比值vo/vi的变化而变化。

反馈回路70被提供在装置20内，用于以允许在对应于vpeak的预先选定的峰值电流处操作电感器24的方式来控制vref及其初始值。通过知晓电感器24的饱和电流值，使用更多诸如电感器24之类的经济的部件变为可行。根据该示例实施例，vref的初始值被设置成与vpeak加上补偿余量相对应。因此，在该示例中，用于vref的电压源56提供了具有与vpeak相对应的值的电压。利用用于调整vref初始值的返回回路70允许独立于比值vo/vi而维持电感器24的峰值电流。

积分器72测量开关22的接通时间的占空比。来自积分器72的输出可通过以下表达式来表示：

其中vgate与开关22的门信号相对应。如果积分器72只考虑开关22的接通时间，则可使常数m的定义与上述补偿斜率m的定义一致。峰值检测器74锁定vgate的峰值，vgate的峰值在开关22的接通时间的结尾处发生。延迟元件76操作来将通过反馈回路70在开关周期k-1期间获得的与开关激活22有关的信息在随后的开关周期k的开始处引入。来自反馈回路70的输出将补偿余量有效地添加到vpeak的值以建立在开关周期k的开始处的vref的初始值。

在以下等式中，函数y代表用于下一开关周期的补偿余量的值的预测。

y(k)＝x(k-1)＝vδ(k)(9)

在开关周期k期间，vref可通过以下等式来表示：

图2是示意性地示出图1所示的装置20的操作的若干特征的时序图。来自脉冲产生器32的触发或初始化脉冲80初始化开关周期k，开关周期k具有周期tsw。在开关周期的开始处，vref具有初始值(在82处示出)。感测到的电压vsns在84处被表示并且在开关周期期间增大，同时开关22被激活以用于对电感器24供能。在接通时间期间，开关通过使电感器电流增大而允许能量在电感器中积累。在开关的关断时间期间，电感器电流将通过二极管被引导到电容器，使得对电容器充电。在86处示出了由反馈回路60引入的补偿电压vcmp。如在88处所示，负斜率或负补偿导致vref减小。

如在90处所示，当vsns等于vpeak时，vsns与vref相交或等于vref。那时，vref已经从82处的初始值减小了值vδ(例如，补偿余量的数量)。当vsns的值达到vref的值时，比较器54提供重置脉冲(在92处示出)，重置脉冲关断开关22(由在94处所示的vgate的值所表示)。同时，积分器62停止，从而使得vcmp不再减小(如在96处所示)。积分器62在下一开关周期的开始处(通过由脉冲产生器32提供的下一脉冲80’来表示)重新启动。

在开关周期k期间，积分器72的输出增大，如在98处所示。如在100处所示，峰值检测器74检测峰值并且积分器72停止操作，这在时间上与vsns等于vref(如在90处所示)时的瞬时相对应。假如不再对vref施加补偿电压vcmp，则vref保持在值vpeak(如在102处所示)直至下一开关周期k+1开始。

针对下一开关周期k+1的vref初始值在82’处示出。该初始值是基于vpeak加上来自反馈回路70的信息，该信息由来自在先开关周期k的积分器72的输出(在98处示出)来表示。假如积分器72只在开关22的接通时间期间操作，则在开关周期k+1的开始处的vref初始值是基于在在先开关周期k期间的开关22的至少一个激活特征。在该特定实施例中，用于设置vref初始值的开关22的激活特征包括开关22的接通时间占空比。

通过考虑表达图1和2中所利用的斜率补偿技术的以下模型，可理解系统的瞬态响应及其稳定性判据。如上所述，反馈回路70基于在先开关周期的接通占空比提供补偿信息以用于设置vref的初始值。假设装置20处于稳态，则开关周期k的vδ可被表达为：

vδ(k)＝m.t.du(k-1)(11)

该关系式可被利用来导出针对在没有滤波的情况下由装置20提供的闭环补偿的离散时间表达式。以下等式是此类等式中的一个表达。

针对此类闭环补偿的占空比表达式揭示了占空比受到两个在先开关周期的历史的影响。在稳态条件中，周期k和k-1的占空比在大小上相等，但具有在极性上相反的对当前占空比的影响。因此，可将占空比表达式重新整理如下：

smps装置20在以下条件下是稳定的：

当补偿斜率满足以下判据时，稳定性被获得：

在所示示例中，针对闭环补偿的收敛判据(convergencecriteria)是开环补偿的收敛判据的一半。来自等式15的闭环补偿的占空比表达式表明没有斜率补偿值会完全没有在先占空比的贡献。因此，闭环补偿的阶跃响应将独立于补偿斜率的选择而将稳定前响铃展示给占空比值。

图3示意性地示出了根据本发明实施例设计的另一smps装置20’。相较于图1的实施例，图3的实施例的一个特征是图3中的布置包括平均特征以在电源56的初始化过程中减小过冲(overshoot)的任何可能性以及最小化对噪声的敏感性。在图3中，反馈回路70的输出至少暂时地被维持长达多个在先开关周期(k-n，n＝1，2，3……)。平均部件110确定与在先开关周期开关激活有关的信息的平均值(在112、114和116处示出)。平均信息被用于在下一开关周期的开始处设置vref的初始值。使用如图3所示的布置的针对闭环补偿的一般表达式是：

其中n是用于平均过程的样本数量。在不平均的情况下，n具有值1而等式16的表达式变成等式12的表达式。

所示实施例利用基于来自至少一个在先开关周期的信息的闭环斜率补偿来提供对当前参考补偿余量的值的预测。利用此类信息来设置vref的初始值将使经补偿的vref与vsns在通过电感器24的电流等于预先选定的峰值电流值时相交。所示示例确保在vsns与vref之间的相交发生时的占空比等于理论上的占空比，该占空比是smps装置20的输入电压和输出电压(例如，vi和vo)的函数。施加所示示例的斜率补偿而不引入峰值电流和输入输出电压的比值之间的依赖性。

装置20的一种示例实现被实现为asic并且通过使用计数器和快速数模转换器来数字地实现，计数器具有可编程时钟速率以模拟集成过程，快速数模转换器转换预测到的当前参考信息以用于与感测到的电感器电流进行比较。

在一个实施例中，积分器62和72的功能通过使用具有高输出阻抗的电流源对电容器充电和放电来实现。如果电流源输出阻抗大到足以被忽略，那么斜率补偿斜率m可被表达为m＝icmp/ccmp，其中icmp和ccmp分别是补偿电流和电容。

所公开的示例允许选择具有已知峰值电流阈值并且能够以提供系统稳定性并保证电感器的寿命的方式来控制通过电感器的电流。所公开的实施例的该特征的一个方面是它允许使用较便宜的电感器，这是有利的。

以上描述本质上是示例性的，而不是限制性的。对所公开的示例的不背离本发明的实质的变化和修改对于本领域技术人员而言可变得显而易见。赋予本发明的法律保护范围只能由以下权利要求确定。